Три основні несправності роторів двигуна з осьовим потоком: відремонтувати чи замінити? Чіткий посібник із відновлення кордонів

Двигуни з осьовим потоком з їхньою високою щільністю потужності, компактною структурою та чудовими характеристиками крутного моменту все частіше використовуються в транспортних засобах на новій енергії, промислових сервоприводах, вітроенергетиці та інших галузях. Однак із накопиченням робочих годин і ускладненням умов роботи ротор — основний обертовий компонент двигуна — неминуче зазнає різноманітних несправностей. Серед них пошкодження поверхні ротора двигуна з осьовим потоком, розмагнічування постійного магніту (магнітна сталь) і порушення динамічного балансу є трьома найпоширенішими типами несправностей. Зіткнувшись із цими проблемами, обслуговуючий персонал хвилює:  які несправності можна усунути? Які потребують заміни? Чи можна гарантувати продуктивність і надійність після ремонту?

1. Пошкодження поверхні ротора: незначні пошкодження підлягають ремонту, серйозні пошкодження потребують заміни

1.1 Причини та прояви несправностей

Пошкодження поверхні ротора двигуна з осьовим потоком зазвичай викликано тертям (тертя між статором і ротором), вторгненням стороннього предмета або осіданням ротора через несправність підшипника. Визначення типу пошкодження допомагає визначити основну причину: якщо на поверхні ротора є один слід від тертя, а вся поверхня статора подряпана, це часто спричинено погнутим валом або дисбалансом ротора; якщо поверхня статора має лише один слід тертя, тоді як поверхня ротора подряпана по всьому колу, це є наслідком неконцентричності між статором і ротором, як правило, через деформацію втулок рами та торцевого щитка або сильного зносу підшипника.

1.2 Коли його можна відремонтувати?

Незначні пошкодження поверхні  зазвичай підлягають ремонту. Відповідно до галузевих стандартів, для усунення легких пошкоджень внутрішньої поверхні статора і зовнішньої поверхні ротора допускається використання методів шабрування або шліфування за умови, що температура поверхні двигуна після ремонту відповідає відповідним стандартам. Специфічні критерії:

• Глибина пошкодження знаходиться в межах придатного для обробки (зазвичай менше 0,5 мм) і не впливає на загальну структурну цілісність сердечника ротора.

• Короткого замикання великої площі або плавлення листів кремнієвої сталі не відбулося. У разі локалізованого опіку стрижневих зубів можна відпиляти оплавлені та зрощені частини, а пошкоджені ділянки можна відремонтувати епоксидною смолою.

• Після ремонту рівномірність повітряного зазору все ще може відповідати проектним вимогам, а рейтинг температури поверхні задоволений.

Що стосується техніки ремонту, то легкі подряпини та плями іржі можна відшліфувати дрібною наждачкою, змоченою в олії, часто перевіряючи відхилення округлості за допомогою мікрометра. Для пошкодження поверхні сполучення, наприклад зносу цапфи валу, можна використовувати технології обробки поверхонь, такі як лазерне наплавлення, кистьове гальванічне покриття та термічне напилення. Ці процеси ремонту відбуваються при низьких температурах і не призводять до деформації валу чи зміни металографічної структури.

1.3 Коли його потрібно замінити?

•  Глибина пошкодження занадто велика, перевищує допустимий діапазон проектування, і продовження ремонту призведе до руйнування основної структури.

•  Відбулося коротке замикання великої площі або відшарування листів кремнієвої сталі, що призвело до значного збільшення втрат на вихрові струми та перегріву сердечника.

• Сердечник ротора зазнав невиправної структурної деформації, і рівномірність повітряного зазору не може бути гарантована навіть після ремонту.

• Пошкодження поширилося на слабкі місця в структурі основи ротора, а вартість ремонту близька або перевищує вартість заміни.

2. Розмагнічування магніту: від легкого до середнього виправляється шляхом повторного намагнічування, серйозне потребує заміни

2.1 Причини та механізми розмагнічування

Суть розмагнічування постійного магніту полягає в незворотній зміні структури магнітного домену, яка, залежно від причини, в основному поділяється на три категорії:

• Термічне розмагнічування : виникає, коли температура постійного магніту перевищує допустиму межу класу його матеріалу. Для NdFeB, наприклад, температура Кюрі становить близько 310°C, вище якої виникають повні магнітні втрати. Експериментальні дані показують, що після 1000 годин безперервної роботи при 150°C магніти NdFeB можуть відчувати втрату потоку від 3% до 5%.

• Розмагнічування зворотного поля : Зворотні магнітні поля, створені ненормальними умовами, такими як перевантаження або короткі замикання, викликають місцеве інверсування магнітного домену. В одному новому електродвигуні транспортного засобу в умовах перевантаження на 200% щільність магнітного потоку впала на 7–12%.

• Розмагнічування від хімічної корозії : матеріали NdFeB окислюються у гарячому та вологому середовищі, спричиняючи поступове погіршення магнітних властивостей. Випробування соляного туману показують, що незахищені магніти можуть відчувати втрату потоку до 15% через 500 годин.

Як визначити на місці, чи розмагнічені магніти? Найбільш інтуїтивно зрозумілий метод: після розмагнічування швидкість двигуна на холостому ході помітно зростає, струм навантаження зростає, а гальмівний момент зменшується. Більш точне виявлення вимагає використання тесла-метра (гауссметра) для вимірювання напруженості поверхневого магнітного поля або визначення зворотної ЕРС і порівняння її з вихідними параметрами.

2.2 Коли його можна відремонтувати?

Ремонтопридатність розмагнічування залежить від  ступеня розмагнічування , і її рекомендується оцінювати на основі наступної класифікації:

М’яке розмагнічування  зазвичай спричинене короткочасним перегрівом або незначним надлишковим струмом і має сильну оборотність. План лікування включає спочатку оптимізацію розсіювання тепла, обмеження перевантаження та стабілізацію джерела живлення, а потім використання високовольтного імпульсного намагнітника для спрямованого намагнічування постійних магнітів ротора. Після намагнічування перевірте за допомогою гауссметра, що магнітне поле відновилося до початкового значення. Згідно з галузевою практикою, професійне обладнання для намагнічування може відновити понад 95% вихідної продуктивності.

Помірне розмагнічування  вимагає розбирання двигуна, тестування постійних магнітів по одному, вибору сильно розмагнічених елементів, склеювання або вбудовування нових магнітів того ж класу та розміру, точно відповідно до вихідної полярності, а після повного намагнічення проведення випробувань струму холостого ходу, крутного моменту та ефективності.

2.3 Коли його потрібно замінити?

Наступні ситуації вимагають рішучої заміни, а не подальших спроб ремонту:

• Залишкова намагніченість постійних магнітів становить менше 80% від проектного значення і не може бути відновлена ​​до номінальної продуктивності після намагнічування.

• Магніти демонструють структурні пошкодження (тріщини, розломи, сильна корозія), тому механічна міцність і термін служби не можуть бути гарантовані навіть після намагнічування.

• Відбулося незворотне розмагнічування, тобто сам матеріал постійного магніту постарів або постраждав від хімічної корозії до такої міри, що намагніченість не може бути відновлена.

•  Розмагнічування призвело до такого сильного падіння ефективності двигуна та аномального підвищення температури, що витрати на ремонт перевищують вартість заміни всього двигуна.

3. Збій динамічного балансу: переважна більшість підлягають ремонту, лише небагато потребують заміни

3.1 Причини несправності та діагностика

Дисбаланс ротора є найпоширенішим джерелом несправності в обертових машинах — статистика показує, що 70% вібраційних несправностей у обертових машинах виникають через дисбаланс роторної системи. Основною причиною є збіжність центру маси ротора з його геометричною віссю, що створює ексцентриситет маси, який генерує відцентрову силу інерції під час обертання, що проявляється у вигляді підвищеної радіальної вібрації та прискореного зносу підшипників.

Однак перш ніж виконувати корекцію динамічного балансу, спершу потрібно зробити одну важливу річ — проаналізувати першопричину ненормальної вібрації , оскільки це може бути не проблема динамічного балансу. Якщо обладнання має значну слабкість, резонанс, тріщини на валах, пошкодження підшипників, зміщення або осідання фундаменту, корекція динамічного балансу не досягне очікуваних результатів.

Типова вібраційна ознака дисбалансу полягає в тому, що період вібрації синхронний з робочою швидкістю (переважає частота обертання 1 ×), амплітуда радіальної вібрації є найвищою, а амплітуда та фаза демонструють стабільність і повторюваність.

3.2 Коли його можна відремонтувати?

Переважну більшість проблем із порушенням динамічного балансу можна усунути за допомогою корекції на місці або на заводі , якщо тільки сам ротор не зазнав структурних пошкоджень.

Динамічне балансування на місці  — це зріла технологія, яка сьогодні широко використовується в промисловості. Цей метод виконує вимірювання вібрації та корекцію балансу відповідно до фактичної робочої швидкості ротора та умов встановлення без необхідності демонтажу ротора та відправлення його назад на завод. Це може заощадити приблизно 3–5 днів часу та витрати на транспортування, уникаючи ризику вторинного пошкодження під час розбирання та повторного складання. Методи корекції в першу чергу включають додавання ваги (прикріплення балансирів, гвинти, заклепки, зварювання) та зменшення ваги (свердління, шліфування, фрезерування), з конкретним вибором залежно від конструкції ротора та вимог процесу.

Точність корекції відповідає стандартам ISO 1940-1 / GB/T 9239.1, а залишковий дисбаланс можна контролювати на дуже низьких рівнях. У сценаріях прецизійного виробництва точність динамічного балансу може досягати рівня G1 (найвищий рівень точності згідно з ISO 1940-1), ефективно усуваючи небезпеку вібрації.

Рама диска ротора ротора двигуна з осьовим потоком в основному виготовлена ​​з немагнітних композитних матеріалів і має відносно легку масу. Однак, як тільки стан балансу змінюється під час роботи через наступні причини, корекція стає ще більш критичною:

• Корозія, знос або накип на обертових компонентах під час роботи.

•  Прилипання стороннього предмета викликає ексцентриситет маси.

• Дисбаланс, який повільно змінюється, викликаний термічною або механічною деформацією.

У переважній більшості з перерахованих вище випадків нормальну функцію можна відновити за допомогою професійної динамічної корекції рівноваги.

3.3 Коли його потрібно замінити?

У наступних ситуаціях корекція динамічного балансу неефективна, і ротор потребує заміни:

• На валу ротора є тріщини або злами. Слід зазначити, що якщо розмір тріщини не перевищує 10% окружності шийки вала, ремонтне зварювання з наступною механічною обробкою може дозволити продовжувати використання; однак, якщо він перевищує цей діапазон, вал слід замінити. Якщо тріщина поширилася на серцевину вала, необхідно замінити весь ротор.

• Сердечник ротора зазнав незворотної структурної деформації або пошкодження, тому точність балансу все ще не може бути гарантована після виправлення.

• Компоненти, що обертаються, від'єдналися (наприклад, балансири впали, лезо зламано), і пошкодження є непоправним.

•  Вібрація все ще перевищує допустимі межі після кількох корекцій динамічного балансу, що вказує на серйозні існуючі проблеми з структурою основи ротора.

Варто зазначити, що завдяки своїй модульній конструкції двигуни Axial Flux Motors мають певну перевагу під час технічного обслуговування — потрібно замінити лише несправний модуль, що зменшує складність капітального ремонту та витрати на технічне обслуговування.

4. Резюме: таблиця для розуміння ремонту та заміни

5. Рекомендації щодо технічного обслуговування та профілактичні заходи

1. Регулярна інспекція є необхідною умовою : Встановіть механізм регулярної інспекції. Використовуйте гауссметр для періодичних вибіркових перевірок ослаблення магнітного поля та вібраційний аналізатор для регулярного тестування динамічного балансу, щоб усунути несправності на ранніх стадіях.

2. Діагностуйте, перш ніж діяти : перед будь-яким ремонтом необхідно чітко визначити причину несправності. Особливо для проблем динамічного балансу слід спочатку виключити фактори дисбалансу, такі як пошкодження підшипника, зміщення та ослаблення; інакше корекція балансу буде марною.

3. Повторне намагнічування потребує професійних операцій : операції намагнічення включають високовольтне імпульсне обладнання та повинні виконуватися кваліфікованим персоналом в ізольованому та екранованому середовищі. Після намагнічування перевірте продуктивність за допомогою гауссметра та проведіть введення в експлуатацію без навантаження та після повторного встановлення.

4. Оновлення матеріалів для запобігання повторенню : для умов експлуатації з високою температурою або високою вібрацією віддайте перевагу вибору високоякісних постійних магнітів (наприклад, серії H, SH) і застосуйте захисну обробку поверхні, наприклад алюмінієве покриття PVD або епоксидні композитні покриття для продовження терміну служби.

5. Економічна оцінка технічного обслуговування : необхідно провести порівняння витрат між заміною вузла ротора та повною заміною двигуна — коли обмотки статора все ще знаходяться в хорошому стані, достатньо замінити справжній ротор тієї ж моделі, при цьому вартість і час виконання робіт кращі, ніж повна заміна двигуна, а продуктивність відновлена ​​до рівня нового. Однак, коли витрати на ремонт наближаються або перевищують 60–70% вартості нового двигуна, рекомендується віддати перевагу повній заміні двигуна.